Vortrag auf dem IPv6-Kongress 2013 in Frankfurt/Main (6./7.06.2013, Cinestar Metropolis) zum Thema "Evaluation des iSIPS IP Stack für Drahtlose Sensornetze"

1. Evaluation des iSIPS IP Stack
für drahtlose Sensornetze
IPv6-Kongress 2013
7. Juni 2013, Frankfurt/Main
Peter Rothenpieler
Institut für Telematik
Universität zu Lübeck
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler

2. Über uns
 Institut für Telematik der Universität zu Lübeck
 20 Mitarbeiter (17 Wissenschaftler)
 Aktuelle Projekte
 SmartSantander (EU FP7 Call 5 IP)
 SPITFIRE (EU FP7 Call 5 STREP)
 Firestation (EU FP7 Call 5 CSA)
 IoT-I (EU FP7 Call 5 CSA)
 Real-World G-Lab (BMBF)
 http://www.itm.uni-luebeck.de/
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
2

3. 3
Inhalt
 Drahtlose Sensornetze
 Eigenschaften und Anwendungen
 Beispiel: iSense Plattform
 Das Internet der Dinge
 iSense IP Stack
 Evaluation
 Latenz
 Datendurchsatz
 Vergleich mit anderen Implementierungen
 Zusammenfassung
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler

4. Drahtlose Sensornetze: Hardware und Anwendungen
 Starke Ressourcenbeschränkung (Speicherplatz, Rechenkapazität, Energieversorgung)
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
4
iSense TelosB AVR Raven MicaZ
Prozessor NXP JN5148
(16 Mhz, 32-bit)
TI MSP430
(8 Mhz, 16-bit)
ATmega1284
(20 Mhz, 8-bit)
ATmega128L
(7,4 Mhz, 8-bit)
Arbeitsspeicher
128 KB
10 KB 16 KB 4 KB
Programmspeicher 48 KB 128 KB 128 KB
BSI Projekt FleGSens (2009)
200 Sensorknoten zur
Überwachung einer
„grünen Grenze“
(Bewegungssensoren)
 Meldung von Alarmen
(Wenige Byte / Ereignis)
Niedrige Latenz!
BMBF Projekt SmartAssist (2012)
Erkennung von schleichenden
Veränderungen im Tagesablauf
zur Diagnose von Alters-
Erkrankungen
 Kontinuierliche Messung
(Wenige Byte / Minute)

5. Beispiel: iSense Plattform
 Ausgründung der Universität zu Lübeck
 Gegründet 2005, aktuell 6 Mitarbeiter
 http://www.coalesenses.com
 Modularer Aufbau
 Kommunikation (2.4 GHz/868 MHz IEEE 802.15.4,
GSM, Ethernet)
 Sensoren (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, PIR
Bewegungsmelder, Beschleunigungssensor, GPS, …
 Stromversorgung (AA Batterien, Li-Ion-Akkus,
Solarzelle, …)
 Verfügbar im WISEBED Testbed
EU-Projekt (ICT-2008-224460) http://www.wisebed.eu
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
5

6. Drahtlose Sensornetze  Internet der Dinge
Früher
 Anwendungsspezifische Protokolle
 „Maßgeschneiderte“ Lösungen
 Wenig Interoperabilität (Proprietäre Protokolle)
Zukünftig
 Standardisierte Netzwerkprotokolle zur nahtlosen Integration
in das Internet (der Dinge)
 IPv6 (RFC 2460, …), 6LoWPAN (RFC 4944, RFC 6282, …),
RPL (RFC 6550, …), CoAP (IETF Draft)
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
CoAP
6LoWPAN
IPv6
UDP
IEEE 802.15.4
MAC & PHY
CoAP
6LoWPAN
IPv6
UDP
IEEE 802.15.4
MAC & PHY
6

7. iSense IP Stack (iSIPS)
 2010: Start als Diplomarbeit am Institut für Telematik / coalesenses GmbH
(Betreuer: P. Rothenpieler & C. Buschmann, Bearbeitet von: C. Tille)
 Weiterentwicklung durch coalesenses GmbH (closed source)
 IPv4, IPv6, ND, 6LoWPAN, ICMP, UDP, TCP, HTTP, CoAP, Dymo(-low) Routing
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
7
Alternative
 Open Source Project Wiselib
 http://www.wiselib.org
 GSoC 2012: Wiselib IPv6/6LoWPAN Implementierung
(Betreuer: P. Rothenpieler, Bearbeitet von: D. Gehberger)
 2013: Implementierung des RPL Routing Protokolls (RFC 6550)
 GSoC 2013: IPv6 extensions, CoAP (Conditional-)Observe, Arduino Port, …

8. Evaluation: Aufbau der Experimente
 5 Sensorknoten vom Typ iSense JN5148 (16 Mhz, 32-bit, 128 KB)
 Entfernung: ca. 20m von A nach E
 Funkreichweite: >20m (A bis E teilen sich Bandbreite)
 4-Hop Overlay Topologie (feste Routingtabelle, IP Routing)
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
8
A B C D E

9. Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
OS
Platform
Flash
Contiki
TelosB
48 KB
Contiki
JN5148
128 KB
iSense
JN5148
128 KB
6LoWPAN 4.6 5.9 5.1
IPv6 7.4 8.7 18.3
ND 6.8 9.3 5.0
ICMP 0.8 1.0 1.2
UDP 0.7 0.2 1.1
Σ 20.3 25.1 30.7
% Flash 42.2 % 19.6 % 23.9 %
9
Speicherverbrauch
Stack OS ROM (KB) RAM (KB)*
PhyNet TinyOs 10.0 2.0
NanoStack TinyOs 10.0 2.0
uIPv6 Contiki 11.5 2.0
6lowpancli TinyOs 21.0 3.0
B6lowpan TinyOs 25.0 3.2
SICSlowpan Contiki 40.0 5.0
iSIPS iSense 30.7 5.2
Quellen (links):
Sarwar, U.; Rao, G.S.; Suryady, Z.; Khoshdelniat, R. A: „Comparative Study on Available IPv6 Platforms for Wireless Sensor Network“
International Conference on Wireless Communications and Mobile Computing (ICWCMC 2010), 2010
Ricardo Silva, Jorge Sa´ Silva and Fernando Boavida: „Evaluating 6LoWPAN implementations in WSNs“. Technical report,
Department of Informatics Engineering – University of Coimbra, 2009
Quellen (rechts):
Instant Contiki 2.6, Jennisense (07/2012), iSense SVN (04/2012)
* Ruhezustand

10. Latenz / Round Trip Time (1/3)
 ICMPv6 Echo Request / Response Pakete
 1-4 Hops, 8 - 512 byte Payload (Schrittgröße: 8 byte)
 100 Requests / Payload / Hop
 256000 Requests insgesamt
Darstellung:
 Median
 Oberes & Unteres Quartil
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
10

11. Latenz / Round Trip Time (2/3)
Median der Latenz steigt um:
 ≈ 0.5 ms / 8 byte / Hop
 ≈ 8 ms / Fragment / Hop
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
11

12. Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
12
blip/TelosB Ludovici, A.; Calveras, A.; Casademont, J.: „Forwarding Techniques for IP Fragmented Packets in a Real 6LoWPAN Network“.
In: MDPI Sensors Volume 11, Issue 1, 2011
b6lowpan/MicaZ Cody-Kenny, B.; Guerin, D.; et al „Performance evaluation of the 6LoWPAN protocol on MICAz and TelosB motes“. In: Proceedings of the
4th ACM workshop on Performance monitoring and measurement of heterogeneous wireless and wired networks; ACM: New York, 2009
TinyOs/b6lowpan Conesa, F.V. „Avaluacio d’una implementacio de 6LoWPAN: el cami a la Internet de les coses“.
Master’s Thesis, Universitat Politècnica de Catalunya, 2009
8x höher
6x höher
4x höher
Latenz / Round Trip Time (3/3)

13. Datendurchsatz (1/3)
 Transportprotokoll: UDP
 1000 Pakete / Datenpunkt
 Variation der
 Sendegeschwindigkeit
 Paketgröße
 Entfernung (1-3 Hops)
 IEEE 802.15.4
 Brutto: 250 kbit/sec
 Netto: ~15.2 KB/sec
(2.4 Ghz, unslotted, 64 bit MAC Adressen)
Darstellung:
 Mittlerer Datendurchsatz beim Empfänger auf Anwendungsebene („Goodput“)
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
13
7.1 KB/sec
12.3 KB/sec
Entfernung: 1 Hop

14. Datendurchsatz (2/3)
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
14
2.8 KB/sec
4.1 KB/sec
3.7 KB/sec
5.4 KB/sec
 Sensorknoten teilen sich Broadcast-Medium
 Maximaler Datendurchsatz schrumpft nach „Peak“ auf etwa 75%
 Keine Überlastkontrolle (Congestion Control)
Entfernung: 2 Hops Entfernung: 3 Hops

15. Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
15
Quelle: Afanasyev, M.; O’Rourke, D.; Kusy, B.; Hu,W.: „Heterogeneous Traffic Performance Comparison for
6LoWPAN Enabled Low-Power Transceivers“
Proceedings of the 6th Workshop on Hot Topics in Embedded Networked Sensors, Killarney, Ireland, 2010
Datendurchsatz (3/3)
blip / TinyOs (evtl. AVR Raven)
Links: TX/RX Rate in Kbit/sec auf Bitübertragungsschicht
10,6
1,9
1,3
3,4
3,0
12,3
4,1
2,8
10,9
0
2
4
6
8
10
12
14
1 2 3
Entfernung (Hops)
Goodput(KB/sec)
blip (RF230)
blip (RF212)
iSIPS
Rechts: Goodput in KByte/sec auf Anwendungsschicht
+16%
+13%
+115%
+20%
+115%
-7%

16. Mögliche Ursachen
 Unterschiedliche Mikrokontroller
 Taktrate
 8/16/32-bit
 Unterschiedliche Funkchips
 Unterschiedliche Programmierung
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
16
iSense TelosB MicaZ
NXP JN5148
(16Mhz, 32-bit)
TI MSP430
(8 Mhz, 16-bit)
ATmega128L
(7,4 Mhz, 8-bit)
+10ms

17. Zusammenfassung
 iSense IP Stack (iSIPS)
 Sehr niedrige Latenz (4-8x besser)
 Hoher Datendurchsatz (13-20% höher)
 Durchschnittliche Programmgröße
 Closed Source
 Open Source Alternative:
 Wiselib 6LoWPAN Implementierung (GSoC 2012 & 2013)
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
17

18. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
18